CN103413790B - 一种集成功率控制单元的封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供的集成功率控制单元的封装结构，不按照传统功能模块来分布发热元件，而是将全部发热元件打散分布，综合考虑实现相同以及不同功能的发热元件的使用情况以及功率等问题，将实现同一功能的发热元件在所述主基板上间隔分布，同时工作的实现不同功能的发热元件在所述主基板上也间隔分布，从而确保了在不同的使用情况下，整个主基板上的不同区域的发热量尽量均匀，均匀发热一方面为均匀散热提供了有力的保障，另一方面利于精简集成化的散热结构，进而有利于适应控制单元小体积的需求；同时，均匀发热也有利于提高主基板的使用稳定性和使用寿命。

Description

一种集成功率控制单元的封装结构

技术领域

本发明涉及一种集成功率控制单元的封装结构，属于集成功率控制单元的封装技术领域。

背景技术

温度过高会影响集成功率控制单元的使用性能，甚至造成功率器件的不可逆转的损坏，影响元器件的正常使用。10℃法则表明，当器件温度降低10℃，器件的可靠性将增长一倍。因此，从提高功率器件使用可靠性的角度出发，如何降低功率器件的温度，特别是具有多个发热元件的集成功率控制单元的温度已经成为各国研究的热点。

传统的降低集成功率控制单元温度的主要思路为：对集成功率控制单元的功能模块产生的热量通过一个整装的散热结构进行散热，从而降低集成功率控制单元的温度。

以汽车用集成功率控制单元为例，目前，汽车用集成功率控制单元大多具有包括电动空调控制模块A、DC/DC模块B、电机控制模块C以及车载充电机模块D等多个功能模块。上述功能模块在集成功率控制单元的基板Y上以各自的功能为单位进行面积划分，即各个功能模块的多个发热元件分别位于其所在的功能模块内。然后通过在基板Y上封装散热结构E实现对控制单元整体的散热，如图6所示。然而，根据使用需求，不同时间需要启用不同的功能模块，或者同一时间启用的功能模块的数量可能不同，从而导致控制单元上的发热元件的工作情况不同，进而造成控制单元上的不同面积区域产生的热量不同，即产生热量不均匀。在产生热量不均匀的情况下，通过传统水冷散热器进行散热时，散热不均匀，很容易出现部分区域散热效果不佳的缺陷，严重时甚至造成部分区域内发热元件的毁损。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种集成功率控制单元的封装结构，其通过对集成功率控制单元的发热元件进行合理组配，使得不同时刻集成功率控制单元不同区域产生的热量大致趋于一致，从而便于进行均匀的散热，有利于提高散热稳定性。

因此，本发明提供一种集成功率控制单元的封装结构，包括主基板，所述主基板上分布有若干个共用母线的发热元件，以实现若干种功能，实现同一功能的发热元件在所述主基板上间隔分布，同时工作的实现不同功能的发热元件在所述主基板上也间隔分布，不同时工作的实现不同功能的发热元件在所述主基板上相邻分布，以使得使用时所述主基板的不同区域的发热均匀。

所述集成功率控制单元的封装结构为车载集成功率控制单元的封装结构。

所述车载集成功率控制单元的所述发热元件包括电动空调控制器发热元件、DC/DC发热元件、车载充电机发热元件以及电机控制器发热元件。

所述电机控制器发热元件与所述DC/DC发热元件间隔分布，所述DC/DC发热元件与所述车载充电机发热元件相邻分布，所述电机控制器发热元件与车载充电机发热元件相邻分布。

还包括盛装有冷却液以用于对所述主基板进行散热的散热壳体，所述散热壳体包括用于向其内部导入冷却液的冷却液进口和用于将冷却液导出的冷却液出口，所述主基板同时为围成所述散热壳体的一个壁。

所述主基板的没有安装发热元件的一侧上设置有若干个位于所述散热壳体内部的散热组件，所述散热组件彼此之间相互配合形成分别与冷却液进口和冷却液出口连通的流体通道。

所述主基板的内部设置真空腔体，所述真空腔体的内部装有液态相变介质。

所述真空腔体的靠近半导体功率器件热量传来方向的面上成型有若干个便于所述液态相变介质均匀分布的毛细凹槽。

所述毛细凹槽的截面形状为三角形、梯形或矩形中的一种。

所述散热组件为垂直于所述主基板内壁的正多边形柱状散热片，且其截面积向着远离发热元件的热量传来方向逐渐减小。

所述主基板上设置有N列所述散热组件，相邻两列的所述散热组件交错排布以形成波浪形的流体通道，所述波浪形的流体通道包括若干个高度相等的波峰以及位于相邻波峰之间的波谷，其中，N为不小于2的整数且为2的倍数。

所述主基板采用AlSiC制成。

所述散热壳体的边缘设置密封凹槽，所述密封凹槽内设置密封圈，所述主基板的边缘与所述密封凹槽内的所述密封圈紧密压合以实现密封固定。

本发明提供的集成功率控制单元的封装结构，具有以下优点：

1.本发明提供的集成功率控制单元的封装结构，突破了传统按照功能模块进行封装的思路，首先，将能够实现若干种功能的若干个发热元件共同封装在同一个主基板上，并且共用母线，实现了封装的集成化，其次，不按照传统功能模块来分布发热元件，而是将全部发热元件打散分布，综合考虑实现相同以及不同功能的发热元件的使用情况以及功率等问题，将实现同一功能的发热元件在所述主基板上间隔分布，同时工作的实现不同功能的发热元件在所述主基板上也间隔分布，从而确保了在不同的使用情况下，整个主基板上的不同区域的发热量都是均匀的，均匀发热一方面为均匀散热提供了有力的保障，从而利于结合集成化的散热结构，进而有利于适应控制单元小体积的需求；另一方面，均匀发热也有利于提高主基板的使用稳定性和使用寿命。

2.本发明提供的集成功率控制单元的封装结构，当应用于车载集成功率控制单元时，DC/DC发热元件较多时刻与电机控制器发热元件一同使用，而DC/DC发热元件与车载充电机发热元件一般不同时使用，所述电机控制器发热元件与所述DC/DC发热元件间隔分布、所述DC/DC发热元件与所述车载充电机发热元件相邻分布，所述电机控制器发热元件与车载充电机发热元件相邻分布，此种分布方式考虑实现不同功能的发热元件在主基板上的空间分布，从而达到发热均匀的目的，便于车载集成功率控制单元的散热，提高其使用寿命和使用稳定性。

3.本发明提供的集成功率控制单元的封装结构，所述主基板同时为围成所述散热壳体的一个壁，即，本发明中散热结构与包括主基板在内的集成功率控制单元形成为一体，结构非常紧凑，更为重要的是，一体封装的形式避免了低导热系数硅胶产生的热阻，散热组件位于所述主基板（即基板）的另一侧，来自于发热元件的热量可以得到直接的散失，提高了散热效果。

4.本发明提供的集成功率控制单元的封装结构，所述主基板的内部设置真空腔体，所述真空腔体的内部装有液态相变介质。所述真空腔体内注入液态相变介质，可以将半导体功率器件中核心较大的发热量通过蒸发及冷凝过程快速传导至主基板（即散热壳体的设置有散热组件的壁），封装入散热组件的一面，确保液态相变介质的蒸发过程顺利进行，热量得到快速均匀传导，从而有利于将来自于发热元件的热量快速转移到散热壳体的冷却液中，进一步提高散热效率和效果。

5.本发明提供的集成功率控制单元的封装结构，所述真空腔体的靠近半导体功率器件热量传来方向的面上成型有若干个便于所述相变介质均匀分布的毛细凹槽，毛细凹槽使得相变介质能够在靠近发热元件热量传来方向的面上均匀分布，避免使用工况为非水平时，无相变介质区温度急剧上升情况的发生，从而使得液态相变介质的蒸发过程均匀进行，热量得到均匀传导，并有利于液态相变介质气化后的冷凝过程的均匀进行，从而有利于将来自于发热元件的热量快速转移入散热壳体的冷却液中，进一步提高散热效率和效果。

6.本发明提供的集成功率控制单元的封装结构，所述散热组件为垂直于所述主基板内壁的柱状散热片，若干个柱状散热片便于对冷却液进行扰流，从而使得热量能够与冷却液更加充分的接触，便于提高散热效果；而由于柱状散热片垂直于主基板，即沿着热量传递方向，热量在传递过程中逐渐散失，向着远离主基板方向，所需要散失的热量越来越小，在远离主基板方向所需的柱状散热片的散热面积也较小，本发明将柱状散热片向着远离主基板方向（即远离热量传来方向）的截面积设置为逐渐减小不但满足散热需求，并且节省原料，降低重量。

7.本发明提供的集成功率控制单元的封装结构，所述散热壳体的所述主基板上设置有N列（N为不小于2的整数且为2的倍数）所述散热组件，相邻两列的所述散热组件交错排布以形成波浪形的流体通道，波浪形的流体通道强化了扰流效果，使得热量通过柱状散热片传递的过程中，冷却液不断扰流，并使得热量始终并更加充分的与冷却液接触，并且，波浪形的流体通道增加了热量在流体通道内的运行距离，从而保证热量交换更加充分的进行。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明的实施例1提供的车载集成功率控制单元的发热元件在主基板上的分布示意图；

图2是本发明的实施例2提供的车载集成功率控制单元的散热结构示意图；

图3是本发明的实施例3提供的车载集成功率控制单元的散热结构示意图；

图4是本发明的实施例1提供的散热结构中的散热组件的结构示意图；

图5是本发明的实施例4提供的散热结构中的散热组件的分布示意图；

图6是现有技术中的集成控制控制单元的封装结构示意图；

图中附图标记表示为：

1-散热壳体；11-冷却液进口；12-冷却液出口；13-主基板；131-真空腔体；132-液态相变介质；133-介质导入口；134-底面；135-毛细凹槽；14-散热组件；15-流体通道；16-壁；17-第一侧壁；18-第二侧壁；21-硅芯片；22-锡层；23-陶瓷板；24-铜层；2-电动空调控制器发热元件；3-DC/DC发热元件；4-车载充电机发热元件；5-电机控制器发热元件。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种车载集成功率控制单元的封装结构，包括主基板13，所述主基板13上分布有多个共用母线的发热元件，所述发热元件包括6个电动空调控制器发热元件2，6个DC/DC发热元件3，8个车载充电机发热元件4以及6个电机控制器发热元件5，其中，电动空调控制器发热元件2实现车载空调的驱动功能，DC/DC发热元件3实现汽车的变速功能，车载充电机发热元件4实现汽车的充电功能，电机控制器发热元件5实现对电机的控制功能，如图1所示，实现同一功能的发热元件在所述主基板13上间隔分布，例如，实现变速功能的DC/DC发热元件3之间间隔车载充电机发热元件4设置，同时工作的实现不同功能的发热元件在所述主基板13上也间隔分布，例如，所述电机控制器发热元件5与所述DC/DC发热元件3间隔分布，不同时工作的实现不同功能的发热元件在所述主基板13上相邻分布，例如，所述DC/DC发热元件3与所述车载充电机发热元件4相邻分布，所述电机控制器发热元件5与车载充电机发热元件相邻分布，上述分布方式在考虑使用状况的同时，综合考虑了各个发热元件的功率，以使得所述主基板13上每一区域内具有不同的发热元件，在同一时刻，不同区域内工作的发热元件的总功率基本相同，从而实现发热均匀的目的。

本实施例提供的集成功率控制单元将全部发热元件打散分布，综合考虑实现相同以及不同功能的发热元件的使用情况以及功率等问题，将实现同一功能的发热元件在所述主基板13上间隔分布，同时工作的实现不同功能的发热元件在所述主基板13上也间隔分布，不同时工作的实现不同功能的发热元件在所述主基板13上相邻分布，从而确保了在不同的使用情况下，整个主基板13上的不同区域的发热量都是均匀的，均匀发热一方面为均匀散热提供了有力的保障，从而利于结合集成化的散热结构，进而有利于适应控制单元小体积的需求；另一方面，均匀发热也有利于提高主基板13的使用稳定性和使用寿命。

上述主基板13上实现每一种功能的发热元件的数量可以根据需要进行其它选择和配置，只要能够满足打散分布后主基板13上热量分布均匀的目的即可。

实施例2

本实施例提供一种集成功率控制单元的封装结构，其是在实施例1基础上的改进，相对于实施例1来说，本实施例中的集成功率控制单元还包括散热结构，所述散热结构为散热壳体1，所述散热壳体1是由壁16、第一侧壁17、第二侧壁18以及盖板共同围成的方形壳体，在本实施例中，盖板即为集成功率控制单元的主基板13，其中，壁16、第一侧壁17以及第二侧壁18一体成型为一个开口槽，开口槽的边缘设置密封凹槽（图中未显示），所述密封凹槽内设置密封圈，主基板13的没有设置发热元件的一侧的边缘与所述密封凹槽的所述密封圈压紧配合以实现主基板13与开口槽的密封安装，进而形成用于盛装冷却液的腔体，其中，第二侧壁18上设置冷却液进口11，第一侧壁17上设置冷却液出口12，冷却液通过冷却液进口11导入到散热壳体1的腔体中，使用完成后通过冷却液出口12导出散热壳体1的腔体。

所述主基板13的没有设置发热元件的一侧上设置若干个相距特定距离的正六边形柱状散热片作为散热组件14，如图4所示，所述散热组件14焊接固定在所述主基板13上（也可以与主基板13一体成型），并与所述主基板13垂直设置，即所述散热组件14垂直于所述主基板13的内壁所在的平面，所述散热组件14位于散热壳体1的内部，并向着所述壁16的方向延伸，且其截面积向着远离主基板13的方向逐渐减小。若干个散热组件14相互配合形成用于冷却液流通的流体通道15，流体通道15分别与冷却液进口11和冷却液出口12连通。作为一种最佳实施方式，本实施例中的所述散热组件14在垂直于所述主基板13的内壁所在平面的同时，其也垂直于所述冷却液导入方向和冷却液导出方向（见图2中箭头所示的方向），并且所述散热组件14在所述主基板13的内壁上均匀分布。

在本实施例中，如图2所示，所述主基板13同时作为集成控制单元的基板，所述主基板13的外壁上安装发热功率器件IGBT模块，包括焊接在主基板13上的第一锡层22、与第一锡层22连接的第一铜层24、与第一铜层24连接的陶瓷板23、与陶瓷板23的另一面连接的第二铜层24、与第二铜层24焊接连接的第二锡层22，以及硅芯片21，其中硅芯片21作为发热元件，所述主基板13采用AlSiC制成，陶瓷板采用AlN制成，AlN陶瓷板与AlSiC基板的导热系数与热膨胀系数更加相近，和以往产品所采用的Al₂O₃陶瓷板与Cu基板相比，因系数更加匹配，性能更加卓越，热应力大大减小，可靠性得到极大提高。

集成功率控制单元工作时，热量从硅芯片21（即发热元件）处传来，最终传导到主基板13上，由于主基板13同时作为散热壳体1的一个壁，散热组件14就设置在所述主基板13的内壁上，从而使得热量能够直接被封装到散热壳体1的内部，在散热壳体1的内部，热量一方面沿着柱状散热片传递，冷却液在柱状散热片形成的流体通道15之间流动，并且不断得到柱状散热片的扰流作用，在此过程中，热交换不断进行，使得散热效果非常显著；另一方面，传递到主基板13上的热量，其另一部分直接与冷却液进行热交换，配合柱状散热片的散热作用，使得热交换全方面、多角度进行，大大增加了散热效果，如图4所示。

实施例3

本实施例提供一种集成功率控制单元的封装结构，其是在实施例2基础上的变形，相对于实施例2来说，其主要改变在于：主基板13的结构有所改变。

如图3所示，所述主基板13的内部设置真空腔体131，通过介质导入口133向所述真空腔体131的内部导入液态相变介质132，液态相变介质132为新氟碳化合物，所述真空腔体131的底面134上成型有若干个便于所述液态相变介质132均匀分布的毛细凹槽（图中未显示），所述毛细凹槽的截面形状为三角形，当然，毛细凹槽的截面形状还可以为梯形或者矩形。

集成功率控制单元工作时，热量从不同的硅芯片21处传来，最终传导到作为基板的主基板13上，所述真空腔体131的靠近半导体功率器件热量传来方向的底面134上成型有若干个便于所述相变介质132均匀分布的毛细凹槽，使得相变介质132能够在靠近半导体功率器件热量传来方向的底面134上均匀分布，避免了汽车在非平稳水平运动时无相变介质区温度急剧上升情况的发生，确保液态相变介质132的蒸发过程顺利进行，热量得到快速均匀传导，从而有利于将来自于功率器件的热量快速转移入散热壳体1中，进一步提高散热效率和效果;同时，更容易快速将温度极值点的热量均匀传导出去，且真空腔体131的高热流密度使散热装置的体积更小，且有效减小了重量。

本实施例中，采用了新氟碳化合物为相变介质，其具有高绝缘性、沸点低、无毒、防爆、物化性质稳定等优点，无需在真空腔体131内涂绝缘涂层，使得封装工序减少，从而使得控制单元的防爆、耐腐蚀性、可靠性和安全性得到极大保证。

当然，作为本实施例的一种变形，所述液态相变介质132还可以采用其它具有上述效果或者类似效果的液态相变介质。

实施例4

本实施例提供一种集成功率控制单元的封装结构，其是在实施例3基础上的变形，相对于实施例3的不同之处在于：散热组件14的设置方式有所改变。

如图5所示，本实施例中，所述主基板13上设置有6列所述散热组件14，相邻两列的所述散热组件14交错排布以形成波浪形的流体通道15，所述波浪形的流体通道15包括若干个波峰以及位于相邻波峰之间的波谷，其中散热组件14为散热翅片，散热翅片焊接在所述主基板13上。

当然，所述散热组件14的列数可以根据需要进行其它设计，例如，设计为2列、4列、6列等。

集成功率控制单元工作时，热量从不同的硅芯片21处传来，最终传导到主基板13上，并被封装入散热壳体1中，波浪形的流体通道15强化了扰流效果，使得热量通过散热翅片传递的过程中，冷却液不断扰流，并且，波浪形的流体通道增加了热量的运行时间，使得热量更加充分的与冷却液接触，保证热量交换更加充分的进行。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (13)

1.一种集成功率控制单元的封装结构，包括主基板（13），所述主基板（13）上分布有若干个共用母线的发热元件，以实现若干种功能，其特征在于：实现同一功能的发热元件在所述主基板（13）上间隔分布，同时工作的实现不同功能的发热元件在所述主基板（13）上也间隔分布，不同时工作的实现不同功能的发热元件在所述主基板（13）上相邻分布，以使得使用时所述主基板（13）的不同区域的发热均匀。

2.根据权利要求1所述的集成功率控制单元的封装结构，其特征在于：所述集成功率控制单元的封装结构为车载集成功率控制单元的封装结构。

3.根据权利要求2所述的集成功率控制单元的封装结构，其特征在于：所述车载集成功率控制单元的所述发热元件包括电动空调控制器发热元件（2）、DC/DC发热元件（3）、车载充电机发热元件（4）以及电机控制器发热元件（5）。

4.根据权利要求3所述的集成功率控制单元的封装结构，其特征在于：所述电机控制器发热元件（5）与所述DC/DC发热元件（3）间隔分布，所述DC/DC发热元件（3）与所述车载充电机发热元件（4）相邻分布，所述电机控制器发热元件（5）与车载充电机发热元件相邻分布。

5.根据权利要求1所述的集成功率控制单元的封装结构，其特征在于：还包括盛装有冷却液以用于对所述主基板（13）进行散热的散热壳体（1），所述散热壳体（1）包括用于向其内部导入冷却液的冷却液进口（11）和用于将冷却液导出的冷却液出口（12），所述主基板（13）同时为围成所述散热壳体（1）的一个壁。

6.根据权利要求5所述的集成功率控制单元的封装结构，其特征在于：所述主基板（13）的没有安装发热元件的一侧上设置有若干个位于所述散热壳体（1）内部的散热组件（14），所述散热组件（14）彼此之间相互配合形成分别与冷却液进口（11）和冷却液出口（12）连通的流体通道（15）。

7.根据权利要求5或6所述的集成功率控制单元的封装结构，其特征在于：所述主基板（13）的内部设置真空腔体（131），所述真空腔体（131）的内部装有液态相变介质（132）。

8.根据权利要求7所述的集成功率控制单元的封装结构，其特征在于：所述真空腔体（131）的靠近半导体功率器件热量传来方向的底面(134)上成型有若干个便于所述液态相变介质（132）均匀分布的毛细凹槽。

9.根据权利要求8所述的集成功率控制单元的封装结构，其特征在于：所述毛细凹槽的截面形状为三角形、梯形或矩形中的一种。

10.根据权利要求6所述的集成功率控制单元的封装结构，其特征在于：所述散热组件（14）为垂直于所述主基板（13）内壁的正多边形柱状散热片，且其截面积向着远离发热元件的热量传来方向逐渐减小。

11.根据权利要求6所述的集成功率控制单元的封装结构，其特征在于：所述主基板（13）上设置有N列所述散热组件（14），相邻两列的所述散热组件交错排布以形成波浪形的流体通道（15），所述波浪形的流体通道（15）包括若干个高度相等的波峰以及位于相邻波峰之间的波谷，其中，N为不小于2的整数且为2的倍数。

12.根据权利要求5所述的集成功率控制单元的封装结构，其特征在于：所述主基板（13）采用AlSiC制成。

13.根据权利要求5所述的集成功率控制单元的封装结构，其特征在于：所述散热壳体（1）的边缘设置密封凹槽，所述密封凹槽内设置密封圈，所述主基板（13）的边缘与所述密封凹槽内的所述密封圈紧密压合以实现密封固定。